ĆWICZENIE 3 BADANIE UKŁADÓW PROSTOWNICZYCH Cel ćwiczenia: zbadanie wpływu typu układu prostowniczego oraz wartości i charakteru obciążenia na parametry wyjściowe zasilacza. 3.1. Podstawy teoretyczne 3.1.1. Klasyfikacja i podstawowe parametry układów prostowniczych Prostownik jest przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie jednokierunkowe (tętniące). Zawiera on jeden lub kilka elementów nieliniowych o jednokierunkowym przewodzeniu (zaworów takich jak np.: diody półprzewodnikowe, tyrystory, itp.) połączonych w jeden z wielu konfiguracji układów prostowniczych. Ze względu na możliwość regulacji napięcia wyjściowego przez zmianę kąta wysterowania zaworów, prostowniki dzielimy na niesterowane i sterowane. Układ prostowniczy jest podstawowym blokiem funkcjonalnym każdego zasilacza prądu stałego. Przykładowy schemat takiego zasilacza z transformatorem obniżającym napięcie przedstawiono na rys.3.1. Rys.3.1. Schemat blokowy zasilacza prądu stałego Podstawowymi parametrami wyjściowymi charakteryzującymi układ prostowniczy są: wartość średnia napięcia wyprostowanego U 0, wartość średnia prądu wyprostowanego I 0, współczynnik pulsacji (tętnień) k p, będący stosunkiem amplitudy składowej zmiennej napięcia lub prądu wyprostowanego do jego wartości średniej, częstotliwość pulsacji (tętnień) f t.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 56 Wymienione charakterystyczne parametry układów prostowniczych umożliwiają poprawny dobór zaworów prostowniczych i transformatora odpowiednich dla wybranej konfiguracji układu prostowniczego. Najważniejsze parametry wewnętrzne prostownika, określane na podstawie jego parametrów wyjściowych, to: wartość średnia, skuteczna i maksymalna prądu zaworu I F w kierunku przewodzenia, wartość maksymalna napięcia wstecznego zaworu U w, wartość skuteczna napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora U i prądu w uzwojeniu wtórnym I, wartość skuteczna prądu w uzwojeniu pierwotnym I 1, moc pozorna transformatora S Tr (pozwalająca określić wymiary i masę transformatora), liczba faz strony pierwotnej m 1 i wtórnej m transformatora i sposób połączenia uzwojeń. Ze względu na zwrot prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora układy prostownicze dzielimy na: jednokierunkowe w których w ciągu jednego okresu napięcia zasilającego w każdej fazie strony wtórnej transformatora przepływa jeden impuls prądowy w określonym kierunku (dla których liczba kierunków k = 1), dwukierunkowe w których w ciągu jednego okresu napięcia zasilającego w każdej fazie strony wtórnej transformatora przepływają dwa impulsy prądu w dwu przeciwnych kierunkach (dla których liczba kierunków k = ). Ze względu na liczbę faz sieci zasilającej m wyróżniamy prostowniki o zasilaniu jednofazowym i trójfazowym. Ze względu na liczbę faz strony wtórnej transformatora prostowniki dzielimy na: jednofazowe, dwufazowe, trójfazowe i wielofazowe. Parametrem charakterystycznym dla danego układu prostowniczego jest liczba pulsów napięcia wyprostowanego q w ciągu okresu napięcia zasilającego. Określa się ją z zależności q = k, (3.1) gdzie m 1 jest liczbą faz uzwojenia pierwotnego transformatora. Liczba pulsów q napięcia wyjściowego prostownika ma wpływ na częstotliwość tętnień napięcia wyjściowego f t. Przy częstotliwości napięcia sieci zasilającej równej f s częstotliwość tętnień oblicza się z zależności m 1
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 57 f t = f q. (3.) s 3.1.. Praca prostowników przy obciążeniu rezystancyjnym Istnieje znaczna liczba różnorodnych układów prostowniczych jednokierunkowych i dwukierunkowych. Omówione zostaną jednakże tylko niektóre z nich, najczęściej stosowane i badane w ćwiczeniu. Do układów jednokierunkowych można zaliczyć: układ jednofazowy jednopołówkowy (półokresowy) (k=m=1), układ jednofazowy dwupołówkowy (pełnookresowy) - z wyprowadzonym środkiem uzwojenia transformatora (k=1, m=), układ trójfazowy z wyprowadzonym zerem (k=1, m=3). Układy dwukierunkowe to: układ jednofazowy mostkowy (Graetza) (k=, m=1), układ trójfazowy mostkowy (k=, m=3). Przed przystąpieniem do analizy dotyczących pracy prostownika zakłada się że: napięcie zasilające transformator ma kształt sinusoidalny, obciążenie ma charakter rezystancyjny. transformator i zawory prostownicze są elementami idealnymi. 3.1..1. Układ jednofazowy jednopołówkowy przy obciążeniu rezystancyjnym Schemat układu jednofazowego jednopołówkowego (k=m=1) oraz przebiegi napięć i prądów w układzie przedstawiono na rys.3.. Biorąc pod uwagę wcześniejsze założenia upraszczające można stwierdzić, że wartość chwilowa napięcia wyjściowego u o (w czasie przewodzenia diody) jest równa napięciu strony wtórnej transformatora u. Wartość chwilowa prądu wyjściowego (wyprostowanego) w okresie przewodzenia diody D1 jest równa prądowi w uzwojeniu wtórnym transformatora oraz prądowi płynącemu przez diodę a opisuje ją zależność i o uo u U m = i = id1 = = = sin ωt = Iom sin ωt, (3.3) R R R gdzie: U m amplituda napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora, I om amplituda prądu wyprostowanego, o o o
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 58 R o rezystancja obciążenia. Rys.3.. Układ jednofazowy jednopołówkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b). Wartość średnią prądu wyprostowanego można obliczyć z zależności 1 π 1 π Iom Im I0 = iod ( ωt) = Iom sin ωt d( ωt) = = = 0, 318I π π π π 0 0 Wartość średnią napięcia wyprostowanego można obliczyć z zależności U m m 0 I0Ro = Ro = = = 0, 45 m. (3.4) I U U = U, (3.5) π π π gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora. Maksymalne napięcie wsteczne diody (w stanie zaporowym) jest równe amplitudzie napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora U w = U m = π U 0. (3.6) Wartość skuteczną prądu w obwodzie można obliczyć z zależności I = 1 π π I 0 m sin ωt d( ωt) = 0,5I m = 1,57 I 0 (3.7)
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 59 Biorąc pod uwagę fakt, że transformator nie przenosi składowej stałej, wartość skuteczną prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora o przekładni ϑ, bez uwzględnienia prądu stanu jałowego, można wyznaczyć ze wzoru I 1 1 1 1,1 = I I 0 = (1,57 I 0 ) I 0 = I 0. (3.8) ϑ ϑ ϑ Wartość chwilowa prądu w uzwojeniu pierwotnym różni się od wartości chwilowej prądu w uzwojeniu wtórnym o składową stałą ( oczywiście jeżeli nie występuje w uzwojeniu wtórnym). Należy jeszcze uwzględnić zmianę fazy prądu przez transformator. Na rys.3.b przedstawiono przebieg chwilowej wartości prądu i = f ( ω ), który otrzymano odejmując składową stałą I 0 = I 0 1 t i zmieniając zwrot prądu na przeciwny. Wartość chwilową prądu w uzwojeniu pierwotnym określono przy założeniu, że przekładnia transformatora ϑ = 1. Amplituda pierwszej harmonicznej składowej zmiennej napięcia wyprostowanego ( U (1)m ) w tym układzie wynosi π 1 U π U = ω ω = (1) U cos t d( t) m m m = U0. (3.9) π π Współczynnik tętnień (pulsacji) napięcia wyprostowanego będący stosunkiem amplitudy składowej zmiennej napięcia U Zm do wartości średniej napięcia U 0 określa zależność U Zm k p =. (3.10) U 0 Pierwsza harmoniczna napięcia wyprostowanego, określona zależnością (3.9), ma największą wartość spośród harmonicznych napięcia wyprostowanego i jest najmniej tłumiona przez filtry wygładzające. Z tego powodu przy praktycznych obliczeniach uwzględnia się tylko jej oddziaływanie, utożsamiając składową zmienną (wszystkie harmoniczne) z amplitudą tylko pierwszej harmonicznej napięcia wyprostowanego. Biorąc to pod uwagę współczynnik tętnień napięcia wyjściowego dla rozważanego prostownika można wyrazić zależnością U Im π k p k p( 1) = = = 1,57. (3.11) U0 Zwykle znając moc odbiornika i rodzaj układu prostowniczego należy dobrać transformator o odpowiedniej mocy. Moc pozorną strony wtórnej transformatora można obliczyć z zależności
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 60 π S = U I = U0I0 = 3,49 P0 (3.1) gdzie P 0 jest wyjściową mocą czynną prostownika. Moc pozorna strony pierwotnej transformatora π S 1 = U1 I1 = 1,1 U 0I0 =,69 P0 (3.13) Zatem moc pozorną obliczeniową transformatora możemy wyznaczyć jako średnią arytmetyczną mocy pozornej strony pierwotnej i wtórnej transformatora. S + S = 3,09 P0 (3.14) 1 S Tr = Korzystając z zależności od (3.3) do (3.14) w postaci ogólnej, można uzyskać wartości parametrów dla innych układów prostowniczych. Należy tylko uwzględnić odpowiedni opis matematyczny przebiegów prądów i napięć w obwodach prostowników, wynikający z ich pracy. 3.1... Układ jednofazowy dwupołówkowy Schemat układu jednofazowego dwupołówkowego z wyprowadzonym środkiem transformatora (k=1, m=) oraz przebiegi napięć i prądu obciążenia przedstawia rys.3.3.
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 61 Rys.3.3. Układ jednofazowy dwupołówkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b) Układ ten można rozpatrywać jako równoległe połączenie dwóch układów jednopołówkowych zasilanych napięciami przesuniętymi w fazie o 180. W jednym półokresie napięcia zasilającego przewodzi dioda D1, zaś w drugim dioda D. Przewodzi więc dioda, która ma wyższy potencjał na anodzie względem katody. Prąd w uzwojeniu pierwotnym transformatora, jak pokazano na rys.3.4 ma przebieg sinusoidalny, ponieważ w każdym półokresie pracuje jedna połówka uzwojenia wtórnego transformatora. Prąd w uzwojeniu pierwotnym dla omawianego układu można traktować jako sumę prądów pochodzących z dwóch uzwojeń wtórnych pracujących niezależnie od siebie. Gdyby przez uzwojenie wtórne płynął prąd i 1 to prąd w uzwojeniu pierwotnym miałby przebieg ' 1 ( t). Analogicznie gdy napięcie fazy drugiej wywołuje prąd i to w uzwojeniu pierwotnym i '' ' '' występuje prąd i 1 ( t). Wypadkowy prąd i jest sumą prądów i 1 = i1 + i1 i ma kształt sinusoidalny.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 6 Rys.3.4. Przebiegi prądów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym w układzie jednofazowym dwupołówkowy W omawianym układzie prostowniczym wartość średnia napięcia i prądu na obciążeniu jest dwa razy większa niż w układzie prostowniczym jednofazowym jednopołówkowym. Podobna relacja występuje dla napięcia wstecznego diody, które w tym przypadku jest sumą napięć na obciążeniu i nie pracującym uzwojeniu wtórnym. 3.1..3. Układ trójfazowy jednokierunkowy (gwiazdowy) Układ prostownika trójfazowego (k=1, m=3) może mieć wiele rozwiązań różniących się sposobem połączenia uzwojeń transformatora. Często stosowany jest układ połączeń uzwojeń transformatora gwiazda gwiazda. Prostownik taki przedstawiono na rysunku 3.5.
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 63 Rys.3.5. Układ trójfazowy jednokierunkowy (a) i przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b) W każdej chwili przewodzi tylko jedna dioda, na anodzie której wartość chwilowa napięcia jest większa od napięcia na pozostałych przewodach fazowych. Można powiedzieć, że układ prostuje napięcie fazowe. W uzwojeniu wtórnym transformatora występuje prąd w postaci impulsów kosinusoidalnych ograniczonych odcinkami prostej. Na rys. 3.4 pokazano przebieg prądu diody D1 przewodzącej w przedziale kąta π 3 π. W przedziale 3 π π 3 będzie przewodziła dioda D a w przedziale π π dioda D3. 3 3.1..4. Układ jednofazowy mostkowy Prostownik jednofazowy mostkowy (k=, m=1) jest prostownikiem dwupołówkowym. Schemat takiego układu oraz przebiegi napięć i prądów w układzie przedstawia rys.3.6. W prostowniku tym zawsze przewodzą dwie diody. Dioda o najwyższym (w danej chwili) potencjale anody i druga o najniższym potencjale katody. W czasie dodatniego półokresu napięcia zasilającego przewodzą diody D1 i D3 a w drugim półokresie diody D4 i D.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 64 Rys.3.6. Układ jednofazowy mostkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b) W układzie mostkowym w uzwojeniu wtórnym transformatora w jednym okresie prąd przepływa w obydwu kierunkach. Przy obciążeniu rezystancyjnym ma on postać sinusoidalną podobnie jak w uzwojeniu pierwotnym. 3.1..5. Układ trójfazowy mostkowy Układ mostkowy (k=, m=3) jest układem prostowniczym najczęściej stosowanym w układach trójfazowy. Schemat połączeń takiego układu oraz przebiegi napięć i prądów w układzie obciążonym rezystancją przedstawia rys.3.7. Zawory prostownika można podzielić na dwie grupy. Grupę katodową tworzą diody D1, D, D3, grupę anodową D4, D5, D6. W każdej chwili pracują dwa zawory: w grupie katodowej zawór, którego anoda ma najwyższy potencjał a w grupie anodowej zawór, którego katoda ma najniższy potencjał. Można stwierdzić, że układ prostuje napięcie przewodowe. Układ trójfazowy mostkowy można traktować jako dwa połączone przeciwsobnie układy
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 65 Rys.3.7. Schemat układu trójfazowego mostkowego a) i przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b) trójfazowe jednokierunkowe. Na obciążenie podawane jest napięcie wypadkowe, równe sumie napięć chwilowych prostowników składowych. Napięcia wyjściowego obu układów składowych są przesunięte względem siebie o 60. Układ trójfazowy mostkowy przy takim samym napięciu skutecznym na uzwojeniu wtórnym transformatora zapewnia na wyjściu dwukrotnie większe napięcie średnie niż układ trójfazowy jednokierunkowy.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 66 Na rys. 3.7 pokazano przebieg prądu w pierwszej fazie uzwojenia wtórnego transformatora oraz diody D1. W przedziale kąta fazowego π 5π dioda D1 przewodzi 6 6 ponieważ potencjał anody jest największy spośród wszystkich trzech diod grupy katodowej. W przedziale π 3π prąd wypływa z uzwojenia pierwszego, płynie przez diodę D1, 6 6 obciążenie, diodę D5, ponieważ ma ona najniższy potencjał w grupie anodowej i wpływa do uzwojenia drugiego transformatora. Po zrównaniu się potencjału na uzwojeniu trzecim z potencjałem uzwojenia drugiego, co ma miejsce przy kącie π, prąd nadal będzie wypływał z uzwojenia pierwszego, ale po przejściu przez obciążenie i diodę D6 wpływał będzie do uzwojenia trzeciego. W tabeli 1 zestawiono wartości wybranych parametrów opisanych układów prostowniczych przy obciążeniu rezystancyjnym. Zależność jednokierunkowe Układy prostownicze dwukierunkowe k=1, m=1 k=1, m= k=1, m=3 k=, m= k=, m=3 U 0 /U 0,45 0,9 1,17 0,9,34 I /I 0 1,57 0,79 0,58 1,11 0,817 I D /I 0 1,57 0,79 0,58 0,79 0,58 U w /U 0 3,14 3,14,1 1,57 1,05 k p =U Im /U 0 1,57 0,66 0,5 0,66 0,057 S /P 0 3,49 1,73 1,48 1,3 1,05 S 1 /P 0,69 1,3 1,1 1,3 1,05 S Tr /P 0 3,09 1,48 1,35 1,3 1,05 3.1.3. Prostownik przy obciążeniu o charakterze rezystancyjno - indukcyjnym. Tab. 1 Obciążenie indukcyjne prostownika wynika z charakteru odbiornika (RL) lub własności filtru wygładzającego, stosowanego do zmniejszenia składowej zmiennej napięcia wyprostowanego. W ćwiczeniu tym indukcyjność traktowana jest jako element obciążenia w celu zbadania jej wpływu na pracę prostownika. 3.1.3.1. Układ jednofazowy jednopołówkowy przy obciążeniu rezystancyjno - indukcyjnym.
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 67 Schemat układu jednofazowego jednopołówkowego oraz przebiegi napięć i prądu obciążenia przedstawia rys.3.8. Dla obwodu wtórnego transformatora z godnie z II prawem Kirchhoffa można napisać równanie: U di sin ω t = R i L o o o (3.15) d( t) m + gdzie R jest sumą występujących w obwodzie rezystancji uzwojeń transformatora, dławika i obciążenia (R = R Tr + R L + R o ). Rys.3.8. Układ jednofazowy jednopołówkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądu (b) przy obciążeniu rezystancyjno - indukcyjnym Rozwiązanie równania różniczkowego (3.16) ma postać gdzie ϕ = arctg ωl. R o o U i = m sin( ω ϕ) + L sin ϕ o t e, (3.16) R + ( ω ) o L R t Prąd wyprostowany ma dwie składowe tak zwaną składową ustaloną U i = m ou sin( ωt ϕ) (3.17) Ro + ( ωl) oraz składową przejściową, malejącą aperiodycznie R ot U i = m L op e sin ϕ (3.18) Ro + ( ωl)
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 68 Wartość prądu wyprostowanego będącego sumą składowej ustalonej i przejściowej ( i + i i ) jak wynika z (3.16) staje się równa zeru począwszy od momentu, gdy op ou = Kąt przepływu prądu czas przepływu prądu, jest funkcją stosunku Rot sin( ωt ϕ) = e L sin ϕ. (3.19) ω t = λ, przy którym jest spełnione równanie (3.19), a więc i L R o, ponieważ w ujemnym półokresie napięcia zasilającego prąd jest podtrzymywany dzięki energii zgromadzonej w polu magnetycznym dławika. Przebieg wartości chwilowej prądu i o w obciążeniu znormalizowanej względem wartości maksymalnej I om (występującej przy obciążeniu rezystancyjnym) dla różnych wartości stosunku L w funkcji kąta przepływu prądu przedstawiono na rys.3.9. R o Rys.3.9. Rodzina krzywych io/iom = f (λ) Przy zmianie charakteru obciążenia z rezystancyjnego na indukcyjny czas przepływu prądu wydłuża się i zależy od stosunku L R o. Dzieje się to za sprawą energii zgromadzonej w cewce, w wyniku zjawiska samoindukcji. W czasie, kiedy prąd przepływający przez cewkę maleje, napięcie indukowane w niej zmienia zwrot na zgodny ze zwrotem prądu powodując jego podtrzymanie. Kształt przebiegu prądu jest zależny również od wartości stosunku L. R o Dla L R prąd przepływa przez diodę w ciągu całego okresu. o zależnością Wartość średnia napięcia wyprostowanego zależna jest od kąta przepływu λ zgodnie z
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 69 1 λ 1 Uo = U m sinωt d( ωt) = U(1 cosλ) (3.0) π 0 π Wartość średnia napięcia na obciążeniu jest w tym przypadku mniejsza niż przy obciążeniu czynnym przy takiej samej wartości U m. Zmniejszanie składowej stałej napięcia ma miejsce przy jednoczesnym zwiększeniu udziału składowej zmiennej w napięciu wyprostowanym. Ze wzrostem stosunku L zwiększa się kąt λ określający czas przepływu R o prądu (rys.3.9) co powoduje zmniejszanie składowej stałej i zwiększanie składowej zmiennej napięcia. 3.1.3.. Pozostałe układy prostownicze W prostownikach o liczbie pulsów q obciążenie indukcyjne daje podobne efekty niezależnie od typu prostownika. Zatem pracę tych prostowników z obciążeniem o charakterze indukcyjnym można zaprezentować na przykładzie układu dwufazowego jednokierunkowego, w którym wpływ indukcyjności obciążenia na przebiegi napięć i prądów jest najbardziej wyraźny. Praca układu jednofazowego dwupołówkowego z obciążeniem indukcyjnym zilustrowana jest przebiegami napięć i prądów przedstawionymi na rys.3.10. Napięcie wyprostowane ma kształt dodatnich półfal sinusoid. Wygładzające działanie indukcyjności powoduje, że kształt prądu wyprostowanego jest inny niż napięcia na obciążeniu, a składowa zmienna prądu wyprostowanego jest mniejsza od składowej zmiennej napięcia wyprostowanego. Wartość chwilową prądu wyprostowanego i o można wyznaczyć (podobnie jak w przypadku układu jednofazowego jednokierunkowego) z zależności 3.16. Rozwiązanie tego równania dla warunków brzegowych i o (0)= i o (π) ma postać U U i = o o π o ωt (1 cosωt) R L (3.1) ω
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 70 Rys.3.10. Prostownik jednofazowy dwupołówkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów w układzie (b) przy obciążeniu o charakterze rezystancyjno - indukcyjnym. Tętnienia prądu są zależne od stosunku ωl/r o i mają największą wartość przy braku obciążenia, maleją zaś przy wzroście obciążenia. Dla stosunku ωl/r o >10 można przyjąć, że przebieg prądu jest praktycznie wygładzony (rys.3.11). Rys.3.11. Rodzina krzywych io /Iom = f (ωt) dla różnych wartości ωl/r w układzie z rys.3.10.
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 71 Prostokątny kształt przebiegu prądu w zaworach i uzwojeniach transformatora prostownika jednofazowego dwupołówkowego pracującego na obciążenie indukcyjne powoduje zmniejszenie jego wartości skutecznej przy takiej samej wartości średniej prądu obciążenia. W efekcie uzyskuje się lepsze wykorzystanie transformatora i mniejsze straty w zaworach. W układzie jednofazowym mostkowym pracującym przy obciążeniu indukcyjnym sytuacja jest podobna, jak w układzie omówionym powyżej. Lepsze jest wykorzystanie transformatora, ponieważ wartości skuteczne prądów uzwojenia wtórnego i obciążenia są sobie równe. W układach wielofazowych, gdy m 3 rodzaj obciążenia (R czy RL) ma praktycznie mniejszy wpływ na parametry układu. Prądy zaworów i prądy uzwojeń transformatora mają przy obciążeniu indukcyjnym RL kształt zbliżony do prostokątnego a wtedy wartość skuteczna napięcia wyjściowego ulega niewielkiemu zmniejszeniu. 3.1.4. Prostownik z obciążeniem o charakterze rezystancyjno-pojemnościowym W układach zasilających mniejszej mocy jako filtry wygładzające najczęściej stosuje się kondensatory włączone równolegle z obciążeniem. Przy filtrach z wejściem pojemnościowym zależności między napięciami i prądami w obciążeniu, zaworach i transformatorze są bardziej złożone niż w przypadku obciążenia rezystancyjnego lub rezystancyjno-indukcyjnego. Wynika to z impulsowego charakteru pracy zaworów prostowniczych w układach pracujących przy obciążeniu pojemnościowym. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku jednofazowym mostkowym obciążonym pojemnościowo przedstawiono na rys.3.1. Kondensator C jest ładowany tylko wówczas, gdy wartość chwilowa napięcia uzwojenia wtórnego transformatora przekracza wartość napięcia na kondensatorze.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 7 Rys.3.1. Prostownik jednofazowy mostkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów w układzie (b) przy obciążeniu o charakterze rezystancyjno - pojemnościowym Dopływ ładunku do kondensatora w krótkich impulsach powoduje, że wartości maksymalna i skuteczna prądu w zaworach i transformatorze są znacznie większe, niż w przypadku prostownika obciążonego samą rezystancją. Ładunek zgromadzony na kondensatorze służy do podtrzymania prądu obciążenia w okresie, gdy wartość chwilowa napięcia transformatora jest niższa od napięcia na kondensatorze. Jedną z metod pozwalających określić zależności między napięciem i prądem wyprostowanym a podstawowymi parametrami zaworów i transformatora jest metoda graficzno-analityczna podana przez Terentiewa. 3.. Badania laboratoryjne 3..1. Badanie układu jednofazowego jednokierunkowego Połączyć układ pomiarowy wg schematu na rys.3.13. Łączniki elementów C 1, C, L ustawić w położeniu WYŁ, wybierając rezystancję obciążenia R o. Załączyć napięcie sieci zasilającej łącznikiem Ł. Ustawić rezystancję obciążenia R o / i wykonać odczyty prądów i napięć przemiennych na wejściu prostownika I, U oraz prądu i napięć na jego wyjściu I 0, U 0, U z.
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 73 Rys.3.13. Schemat układu pomiarowego do badania prostownika jednofazowego jednokierunkowego Odrysować oscylogramy napięcia na obciążeniu (kanał B) i napięcia na zaworze prostowniczym (kanał A). Zaobserwować i zanotować charakter zmian przebiegów dla rezystancji obciążenia zwiększonej do wartości R o. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. Powtórzyć pomiary i odrysować oscylogramy dla obciążenia: (R o /+ L); (R o /+ C 1 ); (R o /+ C 1 +C ). 3... Badanie układu jednofazowego dwupołówkowego Połączyć układ pomiarowy wg schematu przedstawionego na rys.3.14. Łączniki elementów C 1, C, L ustawić w położeniu WYŁ, wybierając rezystancję obciążenia R o. Załączyć napięcie sieci zasilającej łącznikiem Ł. Ustawić rezystancję obciążenia R o / i wykonać odczyty prądów i napięć przemiennych na wejściu prostownika I, U oraz prądu i napięć na jego wyjściu I 0, U 0, U z.
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 74 Rys.3.14. Schemat układu pomiarowego do badania prostownika jednofazowego dwupołówkowego (z wyprowadzonym środkiem uzwojenia transformatora) Odrysować oscylogramy napięcia na obciążeniu (kanał B) i napięcia na zaworze prostowniczym (kanał A). Zaobserwować i zanotować charakter zmian przebiegów dla rezystancji obciążenia zwiększonej do wartości R o. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. 3..3. Badanie układu jednofazowego mostkowy Połączyć układ pomiarowy wg schematu z rys.3.15. Łączniki elementów C 1, C, L ustawić w położeniu WYŁ, wybierając rezystancję obciążenia R o. Rys.3.15. Schemat układu pomiarowego do badania prostownika jednofazowego mostkowego Załączyć napięcie sieci zasilającej łącznikiem Ł. Ustawić rezystancję obciążenia R o / i wykonać odczyty prądów i napięć przemiennych na wejściu prostownika I, U oraz prądu i napięć na jego wyjściu I 0, U 0, U z. Odrysować oscylogramy napięcia na obciążeniu (kanał B) i napięcia na zaworze prostowniczym (kanał A). Zaobserwować i zanotować charakter zmian przebiegów dla rezystancji obciążenia zwiększonej do wartości R o. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. Powtórzyć pomiary i odrysować oscylogramy dla obciążenia (R o /+ L); (R o /+ C 1 +C ). 3..4. Badanie układu trójfazowego jednokierunkowego (gwiazdowego) Połączyć układ pomiarowy wg schematu na rys.3.16. Łączniki elementów C 1, C, L ustawić w położeniu WYŁ, wybierając rezystancję obciążenia R o. Załączyć napięcie sieci zasilającej łącznikiem Ł. Ustawić rezystancję obciążenia R o / i wykonać odczyty prądów i
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 75 napięć przemiennych na wejściu prostownika I, U oraz prądu i napięć na jego wyjściu I 0, U 0, U z. Odrysować oscylogramy napięcia na obciążeniu (kanał B) i napięcia na zaworze prostowniczym (kanał A). Zaobserwować i zanotować charakter zmian przebiegów dla rezystancji obciążenia zwiększonej do wartości R o. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. Rys.3.16. Schemat układu pomiarowego do badania prostownika trójfazowego jednokierunkowego 3..5. Badanie układu trójfazowego mostkowego Połączyć układ pomiarowy wg schematu z rys.3.17. Łączniki elementów C 1, C, L ustawić w położeniu WYŁ, wybierając rezystancję obciążenia R o. Załączyć napięcie sieci zasilającej łącznikiem Ł. Ustawić rezystancję obciążenia R o / i wykonać odczyty prądów i napięć przemiennych na wejściu prostownika I, U oraz prądu i napięć na jego wyjściu I 0, U 0, U z. Rys.3.17. Schemat układu pomiarowego do badania prostownika trójfazowego mostkowego
Zasilanie urządzeń. Laboratorium 76 Odrysować oscylogramy napięcia na obciążeniu (kanał B) i napięcia na zaworze prostowniczym (kanał A). Zaobserwować i zanotować charakter zmian przebiegów dla rezystancji obciążenia zwiększonej do wartości R o. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. Tabela Układ z rysunku Rodzaj obciążenia P O M I A R Y O B L I C Z E N I A U I U 0 I 0 U z f t k p U w /U I /I 0 S /P 0 V A V A V Hz - - - - R o / R o 3.13 R o /+L R o /+C1 R o /+C1+C 3.14 R o / R o R o / 3.15 R o R o /+C1+C R o /+L 3.16 R o / R o 3.17 R o / R o Zależności do opracowania wyników pomiarów: f S S S P t 0 = = U = U = f s = U q; 3U 0 I I I 0 - dla rys. 3.13i 3.15;. I U U - dla rys. 3.14; k p = 0 ;; - dla rys.3.16 i 3.17; z U w - amplituda napięcia wstecznego zaworu - wyznaczyć z oscylogramu, Opracowanie wyników: porównać zmierzone i obliczone wartości parametrów z wartościami teoretycznymi,
Ćwiczenie 3. Badanie układów prostowniczych 77 określić wpływ rodzaju układu prostowniczego na parametry wyjściowe prostownika, opracować w formie rysunkowej oscylogramy wykonane w czasie ćwiczenia.